分子炼油概念与原理20160520-徐春明

质量指标
92号 92 87 720~775 10 2.7 0.3 0.8 15 … 95号 95 90
SOx NOx
PM 2.5
环保压力大，油品清洁化趋势加重
油品质量要求日趋提高，巨大挑战
炼化过程需要把握产品质量及加工链条，实现精确管理！
0. 前言
为什么要进行分子管理？
石油公司本质上卖的是分子； 分子决定油品性质，也决定其市场、价格以及利润；
1. 分子管理的概念


“分子管理”
是“石油组学”在炼油和化工领域的实践
实现“分子炼油”的技术途径 相对前面两个概念更侧重技术层面，但不单纯是一项技术， 而是解决方案。是从分子水平实现炼化增效的组合技术方案。
一种从分子水平实现石油化工整体增效的组合技术方案，主 要内容包括：从分子水平认识石油化学组成，揭示分子组成 与物理性质的内在关系，掌控调和及分离过程中分子走向与 分布，掌握化学加工过程的分子转化规律，实现分子组成及 转化规律的模型化，将基于分子组成的理论模型应用于炼化 过程的决策优化、运营优化及生产优化的各个层面。
抽样 PDF参数 基团贡献 混合性质计算
全局优化算法 (模拟退火/遗传)
不 满足
2.2 石油大学近期工作
分子管理底层软件框架
Molecular Modeling Toolbox for Petroleum Complex System
基础分子矩阵操作及绘图 CUP-SOL分子构建 分子反应网络自动生成 反应动力学模型编写器 分子物理化学性质计算 分子组成模型构建及求解 反应网络可视化及分析 分子转化模型求解器
2.2 石油大学近期工作
CUP SOL Vector
A6 A4 A2 AA N6 N5 N4 N3 N2 N1 1 2 1 0 0 0 0 0 0 0 H 0 Me AN NN RN NS 0 0 0 0 0 RS NO RO KO CO 0 0 0 0 0 Ni 0 V 0
质谱技术的重大突破
－－傅立叶变换离子回旋共振质谱技术
超高分辨率：实现不同分子组成化合物的完全分离 超高质量精确度：通过质量确定分子元素组成
FT-ICR MS
－－分辨率较传统高分辨质 谱提高10倍以上
76 Peaks
521.1 521.2 521.3 521.4 521.5
Resolution = 950,000 @ m/z 521
链烷烃 一环环烷 二环环烷 三环环烷 烷基苯 茚满或萘满 茚类 萘 萘类 苊类 苊烯类 三环芳烃
7.1 4.1 1.9 0.3 3.6 1.7 1.3 0.9
2.1 石油分子组成分析---质谱法
正构烷烃
异构烷烃
一环烷烃
二环烷烃
碳数
碳数
碳数
碳数
三环烷烃
四环烷烃
五环烷烃
六环烷烃
碳数
碳数
碳数
碳数
2.1 石油分子组成分析---质谱法
Penderson使 用高温气相色 谱分析多种原 油重组分发现 质量分布符合 指数分布 （1992）
Petti和Trauth 等拓展了γ分 布在石油中的 应用范围 （1994）
2.2 分子组成构建技术
课题组 Froment 研究组 Klein 研究组 Exxonmobil
代表性研究成果 单事件动力学 蒙特卡洛法石油分子集构建 SOL（结构导向集总）
分子组成构建技术
石油分子组 成规律
信息减少
部分石油组成信 息
2.2 分子组成构建技术
分子层面的反应过程模拟
2.2 分子组成构建技术
重要特征：化学基础
石油分子组成具有连 续性，服从统计分布
规律
Flory利用γ分 布拟合高分子 质量分布 （1936）
Whitson利用γ 分布拟合原油 分子质量分布 （1990）
汽油 航煤 柴油 燃料油 重油
产品需求 原油曲线
180 300 400 500 650 Normal Boiling pt 1000 1300
paraffins naphthenes benzenes benzo-thiophenes naphthalenes di-benzothiophenes phenanthrenes pyrenes chrysenes benzo-pyrenes
1. 分子管理的概念

“分子炼油”
没有人对分子炼油做出清晰的定义 对石化过去十多年的生产实践产生了非常重大的影响 分子炼油是一种理念，倡导从分子水平考虑炼油过程
2006，何鸣元接受科技日报记者采访时提及这一概念； 2011，白春礼院士再次向科学世界记者解释“分子炼油”
一方面是从分子水平上了解和区分原油，另一方面就是从分子水
1. 分子管理的概念
广义“分子管理”概念
从分子组成与转化层面理解和优化炼化过程的所有活动

石油分子组成与转化机理 分离、调合过程中不同分子的走向与分布 各种转化工艺过程的转化规律 基于分子组成的催化剂设计与机理分析


基于分子组成的“三废”处理
生产过程中与油气相关的故障诊断
1. 分子管理的概念
H
A6 A4 A2 AA N6 N5 N4 N3 N2 N1 H Me AN NN RN NS RS NO RO KO CO Ni V
Sidechain Building Blocks
R
R RBr
H
RH RRN RRS RRO RKO RCO
由ExxonMobil SOL拓展而来，增加了许多基团使得更能代表石油分子具体结构； • 对结构进行了更详细的限定，更符合石油化学的实际情况； • 耦合基团和分子拓扑两个层级，兼顾模型复杂度及直观性； • 根据已有的分析数据，规定基团结合法则，产生分子更确切及准确；
S
S
S
S
S
S
S
S
0. 前言
分子管理是当前世界石油化工发展的方向 分子管理 = 分子炼油 ≈ 石油组学
从分子层次认识石油组成及转化规律，进行模拟和管理，实现高 效精准的石油加工过程优化
1. 分子管理的概念 Petroleomics
“石油组学”
在精细分析出石油组成基础上,研究石油化学 组成与其物理、化学性质及加工性能的关系。
521.6
m/z
2.1 石油分子组成分析---质谱法
世界最高分辨的21T FT-ICR MS 美国高磁场国家实验室 2014.06成功安装 美国能源部资助一千八百万美金
2.1 石油分子组成分析---质谱法
521.3982 [13CC37H51N-H]－
521.4017 [13CC34H55NS-H]－ 521.4000 521.4034 [C35H54O3-H]－ [C32H58O3S-H]－
[C36H58O2-H]－
SH4 vs C3
[C33H61O2S-H]－ △ m = 3.4mDa [C35H70O2-H]－
521.394
521.398
521.402
521.406 m/z
521.10
521.20
521.30
521.40
521.50
m/z
200
300
400
500
600
700
800
900
基于分子管理的生产优化示意图
1. 分子管理的概念
研究范畴
认识分子组成
• 石油不同馏分有什么分子？ • 分子的组成结构特点是什么样的？
预测分子性质
• 哪些分子对产品性质起关键作用？ • 什么是“好”分子？什么是“差”分子？
模拟分子转化
• 分子是怎么转化的，规律是什么？ • 如何实现用模型描述分子转化过程？
• 专门针对石油体系的分子转化过程模拟工具箱；
• 完全自主产权，所有代码均由课题组人员编写完成；
• 丰富的拓展性，将来将与分子模拟软件及流程模拟软件连接；
2.2 石油大学近期工作
分子管理底层软件框架
新型分子及转化描述语言 CUP结构导向集总（CUP-SOL）
Core Building Blocks
优化转化链条
• 为原料分子量身订造加工路线 • 为目标分子量身订造工艺条件 • 实现最大原子经济性
2. 分子管理理论与方法基础

2.1 石油分子组成分析方法
2.2 分子组成构建技术 2.3 分子性质预测方法 2.4 分子反应网络构建及求解方法
2.1 石油分子组成分析
碳数 5 8 10 15 20 25 30 35 40 45 60 80 100 沸点 36 126 174 271 344 402 450 490 525 554 620 678 715 理论异构体 3 18 75 4347 3.66105 3.67107 4.11109 4.931011 6.241013 8.221015 2,211022 1.061031 5.921039
C30H62 MW：422
2.1 石油分子组成分析---色谱法
汽油---可精确分析！200余种化合物
0
10
(min)
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50 60 Time (min)
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50 60 Time (min)
70
80
90
“中国石油炼化企业总工程师培训班”
2016-5-20
北京，昌平
炼化分子管理：概念与原理
中国石油大学（北京） 重质油国家重点实验室
大纲
0. 前言 1. 分子管理的概念 2. 理论与方法基础 3. 应用举例